2005B0807

BL47XU高エネルギーＸＰＳによる電極／化合物半導体界面のバンド構造解析
齋藤 真司 1、 吉木 昌彦 1、 布上 真也 1、 池永 英司 2、 小林 啓介 21（株）東芝 研究開発センター、 2（財）高輝度光科学研究センター

１．はじめにこれに対し、放射光を用いた硬X線光電子分光

GaNをはじめとする化合物半導体発光素子は情法（HX-PES）では数倍以上の検出深度が得られる

報・通信機器、固体照明のキーデバイスであり、短ことから、十分にバルクとみなせる厚さ10nm以上の波長化や発光効率の向上等が盛んに進められて電極であっても、その下の界面からの情報を得るこいる。 特に電極／化合物半導体界面における接とができる（図1）。 また、表面準位等[4-8]による合抵抗を下げることは発光効率や輝度の向上に不表面近傍での価電子帯の曲がりが数nmであれば、可欠であり、種々の電極材料や表面処理が検討さ表面準位の影響が無視できる深い領域の電子状れている[1-3]。

態を観測できるものと考えられる。

現在、我々はGaN中のドーパント濃度を高くすることによって接合抵抗の低下を図っているが、その２．測定および解析メカニズムは十分には理解できていない。 メカニ

n型GaN基板上に有機金属気相成長法により成ズムの解明には界面の結合状態や障壁高さを直長したn型GaN、表面がp型のpn接合GaN、および接的に求めることができるX線光電子分光法（XPS）

それぞれにPd電極を形成した試料を用いた。 ここが有効であるが、Al-Kα線やMg-Kα線を励起X

で、n型はSi、p型はMgをそれぞれドーピングしたも線源とする通常のXPSは検出深度が数nm しかなので、p-GaNについてはドーピング濃度が異なる2く、電極下に埋もれた界面の情報を得るのは困難種類の試料を用意した。
HX-PES 測定は SPring-8 BL47XU にて RE4000である。
検出深さ

電子エネルギー分析器を用いて行った。 励起 X
線のエネルギーは 8 keV、光電子検出角度は表面XPSに対して 80 度とし、Au のフェルミ端から求めたエネ

Pd (30nm)
HX-P ESn-GaN, p-GaN
or p +-GaN

ルギー分解能は 0.3 eV であった。
Pd電極形成前のN1sおよびGa2ｐ 3/2 スペクトルを図2に示す。 各ピークは、n型ではp型に比べ高エネルギー側に、またp型の高濃度ドーピングのもの

図 1． XPS と HX-PES の検出深さ． XPS では数〜10nm、HX-PES では 10〜数 10nm の深さからの情報が得られる。

（p+-GaN）は低濃度のものよりも低エネルギー側に位置しており、価電子帯におけるフェルミ準位のシN1s

光電子の 脱出確 率

Intensity

HX-PES
伝導帯

価電子帯

400395
Binding Energy [eV]XPS
N1s 軌 道405

表面から の深さn-GaNp-GaN
p +-GaN電子の束 縛エネルギ ー

390

Ga2p 3/2○ 測定値

Intensityn-GaN
p-GaN
p +-GaN─ 計算値

4001125

N1s11201115
Binding Energy [eV]1110399398397
Binding Energy [eV]

図 2． GaN 表面の HX-PES スペクトル． ピークの非対図 3． 価電子帯曲がりを考慮した N1s ピークのフィッティ

称性は、主として価電子帯の曲がりを反映したものと考ング． 光電子の脱出確率を考慮して、非対称ピークをえられる。

フィッティングした。

フトを反映していることが分かる。 さらに、N1sとほとんどないか極端に薄いこと、また、p+-GaNではGa2p3/2のピーク形状がそれぞれのサンプルにおい価電子帯の曲がり領域がp-GaNに比べて薄くなって類似の非対称性を示していることから、この非対ていることが分かった。 このように、各ピークの形

称性は表面酸化等によるケミカルシフトではなく、状は表面近傍の価電子帯の曲がりを反映しており、主として表面近傍での価電子帯の曲がりを反映しHX-PESの検出深度の大きさを活かすことによって、たものであると考えられる。 そこで、光電子の脱出通常のXPSよりもさらに広い深さ領域で曲がりを評確率と価電子帯の曲がりを考慮したモデルにより、価することが可能である。

p-GaNのN1sスペクトルのフィッティングを行った。

次に各試料表面にPdを30nm蒸着した試料につ

図3に示すように、p-GaNの場合、HX-PESによりいて測定を行った。 図4に示すように、表面のPd得られたスペクトルのピーク位置は価電子帯の曲によって信号強度が弱くなるものの、GaNに由来すがりの影響を受けていない深い領域の電子状態をるピークを十分に認識できるスペクトルが得られた。

反映しており、さらに高エネルギー側に現れる裾はこれまでのXPSでは、Pd膜厚が3nm程度でもN1sピ表面近傍での価電子帯の曲がりを反映しているこークやGa2p3/2 ピークを検出できないこと、またこれとが分かった。 同様な解釈から、ほぼ対称なピーより薄い場合は、Pdの膜厚が不均一になったり、表ク形状を示すn-GaNでは価電子帯の曲がり領域が面酸化の影響が大きくなることから、このようなPd／[2] T. Hashizume, J. Appl. Phys. 94, 431 (2003).

Ga2p 3/2n-GaN
Pd(30nm)/n-GaN[3] H. W. Jang and J. Lee, J. Electrochem. Soc. 150,

Intensity

G513 (2003).
[4] J. Bardeen, Phys. Rev. 71, 717 (1947).
[5] V. Heine, Phys. Rev. 138, 1689 (1965).
[6] J. Tersoff, Phys. Rev. Lett. 52, 465 (1984).
[7] H. Hasegawa, and H. Ohno, J. Vac. Sci. Technol.
1125

11201115
Binding Energy [eV]1110

図 4． n-GaN と Pd(30nm)/n-GaN の HX-PES スペクト
ル． Pd(30nm)の下にある GaN からの信号を検出することができた。

GaN界面を含むスペクトルを得ることは不可能であった。 なお、このスペクトルから求めたPdおよびGaNに由来する光電子ピークのエネルギー間隔を利用することにより、界面の価電子帯不連続量を算出することができ、現在詳細な解析を進めているところである。

３．まとめ
検出深度の大きな HX-PES では、表面および電極／GaN 界面の電子状態変化について、これまでより深い膜中の領域を含めた測定が可能であり、半導体中の価電子帯の曲がりを含めたバンドラインナップを評価できることが分かった。 HX-PES を活用することにより、電極材料や表面処理による電気特性の違いをより深く理解することができ、より高性能な化合物半導体素子の開発に貢献できるものと期待される。

参考文献[1] H. Ishikawa, S. Kobayashi, K. Koide, S.
Yamasaki, S. Nagai, J. Umezaki, M. Koike, and M.
Murakami, J. Appl. Phys. 81, 1315 (1997).

B4, 1130 (1986).
[8] J. P. Long and V. M. Bermudez, Phys. Rev. B66,121308 (2002).